太阳活动突发过程对临近空间大气影响的模拟

空间天气对地球及近地空间具有重要影响,大的空间天气事件对中上层大气动力学和成分具有不同的影响。利用全大气耦合模式WACCM,针对太阳耀斑、太阳质子、地磁暴三类事件,以太阳活动平静期2015年5月10-14日的GEOS-5数据为模式背景场,通过F_10.7、离子产生率、Kp及Ap指数设置,分别模拟三类事件对临近空间大气温度、密度和臭氧的影响。结果表明耀斑事件在三类事件中对临近空间大气温度和密度的影响最为显著。平流层大气温度增加是由耀斑辐射增强引起平流层臭氧吸收紫外辐射发生的光化学反应所致,耀斑事件引起平流层和低热层温度增加约为2～3 K,低热层大气相对密度增加在6%以内;太阳质子事件及磁暴事件主要影响低热层,但太阳质子事件和磁暴事件对低热层温度扰动不大于1 K。     

太阳耀斑对电离层总电子含量的影响

本文分析了1978—1979年1级以上的太阳耀斑对电离层总电子含量的影响. 给出了不同持续时间、不同亮度、不同季节、发生在日面不同位置上的太阳耀斑对电离层总电子含量的影响.分析结果表明,持续时间大于等于1.5小时的耀斑对电子含量有明显的扰动,耀斑出现后电子含量随之增加,在第4—5天增加到最大值,扰动持续数日;持续时间小于1.5小时的耀斑对电子含量影响甚微;非亮耀斑对电子含量的扰动小于亮耀斑;夏季出现的耀斑对电子含量无明显扰动,只有冬季出现的亮耀斑对电子含量有明显的扰动;太阳耀斑扰动电子含量有明显的日面位置东西不对称性,只有出现在日面东边、特别是E₃区的太阳耀斑对电子含量才有明显的扰动.      

利用神经网络预报太阳质子事件后的地磁扰动

通过分析几十个典型太阳质子事件表明,具有以下特征的质子事件其后1－3天内一般有强烈地磁扰动发生：1．质子耀班级别和亮度较大（3B以上）;2．质子通量在上升阶段增加很快,而在下降阶段相对来说衰减也很快（尤其是在峰值附近）;3．电子通量远远大于质子通量并且和质子通量有相似的变化规律．在此基础上,利用神经网络预报太阳质子事件发生后3天内地磁扰动的趋势．     

第21～24太阳周4类空间天气事件爆发特征统计分析

对第21～24太阳周不同等级的太阳X射线耀斑事件、太阳质子事件、地磁暴事件及高能电子增强事件的爆发频次特征进行统计,结果表明:太阳周耀斑爆发的总数量与该太阳周的黑子数峰值呈正比,耀斑总数、X级耀斑事件数与峰值的相关系数分别为0.974,0.997;太阳质子事件主要发生在峰年前后1～2年,约占总发生次数的80%,峰值通量大于10pfu （1 pfu=1 cm-2·sr-1·s-1）的质子事件中,84%伴有耀斑爆发,并且主要伴随M或X级耀斑,少量伴随C级耀斑,峰值通量大于1000pfu的质子事件中,98%伴随M或X级耀斑,并且以X级耀斑为主;第21,22,23和24太阳周发生地磁暴最频繁的时间分别在1982,1991,2003年和2015年,分别滞后黑子数峰值时间3年、2年、2年和1年;72%的高能电子增强事件发生在太阳周下降期,24%的高能电子增强事件发生在太阳周上升期.      

平流层臭氧和辐射场的季节分布特征

利用美国NCAR化学气候耦合模式WACCM3对平流层温度场、风场、臭氧及辐射场进行了模拟.结果表明,在适宜飞艇长期驻留的准零风层高度20～22km(对应大气压强范围为50～30hPa,以下均采用气压值表征对应大气高度),7-8月风速小于5m·s-1的风带可长期稳定在40°N以北.臭氧空间分布显示,在30hPa气压高度处中国地区臭氧浓度出现了带状分布,30hPa高度以下低纬度地区臭氧浓度低于中纬度地区.平流层太阳加热率的时空变化表明,在平流层上层,太阳加热率可达100×10-6K·s-1,而在平流层下层,只有10×10-6K·s-1.6-8月中国区域的太阳加热率大于9月;在100～30hPa高度内,中纬度地区太阳加热率高于低纬度地区,在30hPa高度以上,低纬度地区太阳加热率高于中纬度地区;8-9月30～40hPa高度处,太阳加热率的空间变化较小.在30hPa高度上,太阳加热率在40°N昼夜变化最大;50hPa高度处,太阳加热率的昼夜变化小于30hPa高度处,而且白天太阳加热率出现极大值的纬度明显靠北.平流层低纬度地区的长波加热率小于中纬度地区.青藏高原由于地形特殊,其6-7月的臭氧浓度、太阳加热率和长波加热率均小于同纬度其他地区.      

太阳质子事件对太阳同步轨道空间辐射环境影响分析

介绍了南大西洋异常区的辐射环境及其特点，重点研究了发生于2000年7月14日的太阳质子事件对太阳同步轨道空间环境造成的影响，太阳质子事件期间，抵达近地空间的高能电子、质子及重离子对太阳同步轨道空间环境造成剧烈地扰动，并且不同种类不同能量的粒子扰动特征不尽相同。     

全晕CME与太阳质子事件的关系

日冕物质抛射（CME）是太阳质子事件的重要源头.CME的速度和源区位置是太阳质子事件产生的重要因素.通过统计最近5年全晕CME与太阳质子事件的关系发现,速度大且源区位置距离日面上连接地球磁力线足点近的全晕CME更易引发太阳质子事件,其中速度大于1200km…-1、角距离60°以内的样本引发太阳质子事件的概率最高.对3个未引发太阳质子事件的高速全晕CME进行了详细分析,发现CME的主体爆发方向和行星际磁场环境的变化也影响太阳质子事件的产生.因此,在太阳质子事件的实际预报中,综合CME爆发速度、源区位置、主体抛射方向和行星际环境等多个因素才能给出更准确的事件预报结果.      

"神舟二号"大气密度探测器的探测结果Ⅱ.在太阳和地磁扰动期间高层大气密度的变化

选用了Sz—2大气密度探测器在2001年2—4月间的探测数据,进行日照和阴影区域热层大气密度对太阳和地磁活动程度的响应变化的探讨．结果表明,日照区大气密度峰值主要随F10.7值而变,在地磁扰动期间,阴影区大气密度对扰动的响应更明显,通常响应变化开始于高纬度地区,然后向低纬度地区推移．     

利用质子强度变化对太阳质子事件进行短期预报方法初步研究

采用GOSE-10卫星4～9 MeV(P2),9～15 MeV(P3),15～40 MeV(P4),40～80 MeV(P5)能段上的质子通量数据,结合质子能谱,对太阳质子事件发生前各能谱参数的变化特征进行分析,详细介绍利用能谱参数的变化特征及能量E>10 MeV的质子通量数据对太阳质子事件进行预报的新方法,并运用这种方法对2002-2006年期间太阳质子事件进行了预报.预报结果显示,预报提前量最多达到100 h以上,对质子事件的报准率达97.5%,预报方法具备一定的有效性和实用性.      

太阳质子事件与太阳耀斑的关系

通过对0°W-39°W,40°W-70°W,71°W-90°W经度范围内太阳质子事件与太阳耀斑的相关性计算分析,发现太阳质子事件与太阳耀斑的相关系数依赖于经度.太阳耀斑积分与地球磁链接区域（40°W-70°W）太阳质子事件强度的相关系数最大.相关系数的这种特点与耀斑加速粒子的最大流量只出现在磁链接区域的特征相吻合.计算结果表明,太阳耀斑对太阳质子事件具有贡献,即耀斑对E ≥ 10MeV的质子加速有贡献.耀斑和CME在磁链接区域对太阳质子事件的贡献相同,这说明太阳质子事件是混合型事件.      

地磁暴期间中、低纬度地区大气臭氧含量的变化

本文分析了1966—1983年不同类型磁暴期间大气臭氧含量的变化。分析结果表明,不同类型磁暴发生时,臭氧含量均有明显的变化,但其特征是不相同的。G_C暴出现时在第6天[O₃]出现明显的下降;S_I暴出现时在第3天和第4天出现较大的下降;S_C暴中的S_A暴对[O₃]的扰动幅度最大,最大下降出现在第1天;S_B暴发生时,[O₃]最大下降出现在第2天;S_D和S_d暴期间[O₃]也在第2天下降到最小值;S_b暴发生时,[O₃]则在0天出现最小值。当这些暴出现时,[O₃]的扰动幅度依次减小,但不论哪种暴发生的前一天,[O₃]都有一个明显的增加。      

太阳质子耀斑X射线辐射特征及质子事件警报

太阳质子耀斑X射线辐射特征的研究, 为太阳质子事件的警报提供一个重要的途径和方法。本文分析了第21周太阳活动峰年(1977—1986)期间质子耀斑和相应的GOES和SMM卫星观测的X射线辐射资料, 结果表明:大部分质子耀斑的硬X射线峰值流量F_HX≥104s/c;积分流量F₀≥106counts;硬X射线辐射到达峰值时间T_R≥100s;持续时间T_D≥103s;X光子最高能量E_x≥300keV;平均能谱指数√r≤3.5;高能时延T_L≥10s。利用这些X射线暴的特征参数, 对第21周峰年大质子事件作警报检验, 结果是:报准率为94％, 虚报率为40％。      

极光强扰动对中低纬电离层的影响

本文考查了120°E附近的五个中低纬电离层观测站在极光强扰动下的f₀F₂行为。共考查了从1966—1970年五年资料中AE>1400日及1969年中AE>1000日的f₀F₂行为。研究得出了与印度站链有所不同特征——在极光强扰动下120°E中低纬五站之f₀F₂均有不同程度的减小,而不是增加,并且在中纬较高纬度的满州里站之f₀F₂减小比北京站要显著。扰日后效在中、低纬区不同,低纬之武昌、广州和海南岛三站均呈现扰动过后次日上午段的f₀F₂增加,中纬较高纬度的满洲里站仍呈现f₀F₂减少。我们认为这是由于低纬区主要受赤道喷泉效应改变的影响,而中纬及亚极光纬区主要受极光强扰时产生的环球电场的直接作用结果,它反映了纬向电场耦合传递的影响。当然极光扰动时对中性大气层的能量输入亦对观测到的现象有贡献。      

2009年1月平流层爆发性增温期间全球电离层响应的研究

2009年1月平流层爆发性增温(Stratospheric Sudden Warming, SSW)事件是有记录以来最强、持续时间最长的一次主增温事件(Major Warming Event, MWE), 期间太阳活动和地磁活动均处于较低的水平, 因此非常有利于研究电离层对平流层增温事件的响应情况. 本文利用COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate)系统提供的掩星数据, 使用Kriging方法分别构建了此次SSW期间及平静期的电离层N_mF₂, h_mF₂和110～750km高度范围的垂直积分TEC (简称VTEC)地图, 同时从全球定位导航卫星系统服务组织(International GNSS Service, IGS)发布的全球电离层TEC地图(Global Ionospheric Maps, GIMs)中提取了日固坐标系(Sun-fixed, 地磁纬度和地方时)下全球TEC地图. 通过对比发现, SSW期间与平静期相比, 地磁纬度中低纬电离层参数存在早晨上升, 下午和夜间下降的现象. 利用OSTM/JASON-2卫星高度计观测值进行验证后的结果显示, 此前研究均未有提及的夜间时段电离层参数N_mF₂, h_mF₂和TEC (VTEC和IGS TEC)的下降现象的确存在.      

满州里上空电离层之平均特性及暴时特性

本文对1983年满州里(磁纬38.07°)的测高仪资料和子午仪卫星资料进行了处理.前者主要是对F₂层临界频率f₀F₂,而后者是对微分多普勒的总含量N_T进行分析.得到满州里上空电离层之平均特性,以及磁暴期间电离层的一些异常变化.结果发现,满州里电离层的平均特性具有典型的季节异常,且f₀F₂和N_T的变化呈现较好的一致性.满州里上空电离层的扰动大都发生在两分点季和冬季,且正相大多发生在冬季,双相大多发生在两分点季,负相大多发生在夏季和两分点季.得出1983年满州里暴时N_T和f₀F₂相对于月中值偏移量的均方根值δN_T和δf₀F₂都与磁Ap指数均方根值δAp之间存在一元线性相关.      

从地磁扰动分析太阳共转周期结构

本文运用相关、功率谱等数字信号处理方法对20周太阳风速度和地磁扰动进行比较,得出两者反映的太阳共转周期结构十分相似.且用1900—1979年的地磁C₉指数进行了自相关分析,发现在相当长的时间中,地磁扰动存在13天、27天的周期成份,说明日冕上可能具有某种固有的分布结构,通过不同的太阳活动周的比较,说明太阳活动水平及黑子面积南北半球不对称都对地磁C₉指数能否明显反映日冕上固有分布结构的活动和发展有影响.      

太阳耀斑对大气气旋的扰动

本文统计了1966-1978年2级以上太阳耀斑引起的大气涡度面积指数(VAI)的扰动;给出了不同持续时间、不同亮度、不同季节、发生在日面不同位置上的太阳耀斑对涡度面积指数的影响.发现只有在冬天出现的,持续时间大于1.5小时的亮耀斑,在第3天对VAI有最大的扰动(下降最大值为平均值的16.4%);太阳耀斑引起的扰动有日面东西不对称性;出现在日面西边0-30°的亮耀斑和非亮耀斑(它们的持续时间大于1.5小时)引起VAI的大扰动,最大值扰动分别出现在第3天和第7天.      

A first step towards proton flux forecasting

We present a preliminary version of a potential tool for real time proton flux prediction which provides proton flux profiles and cumulative fluence profiles at 0.5 and 2 MeV of solar energetic particle events, from their onset up to the arrival of the interplanetary shock at the spacecraft position (located at 1 or 0.4 AU). Based on the proton transportation model by Lario et al. [Lario, D., Sanahuja, B., Heras, A.M. Energetic particle events: efficiency of interplanetary shocks as 50 keV E < 100 MeV proton accelerators. Astrophys. J. 509, 415–434, 1998] and the magnetohydrodynamic shock propagation model of Wu et al. [Wu, S.T., Dryer, M., Han, S.M. Non-planar MHD model for solar flare-generated disturbances in the Heliospheric equatorial plane. Sol. Phys. 84, 395–418, 1983], we have generated a database containing “synthetic” profiles of the proton fluxes and cumulative fluences of 384 solar energetic particle events. We are currently validating the applicability of this code for space weather forecasting by comparing the resulting “synthetic” flux profiles with those of several real events.     

地磁场模式对低纬哨声射线追迹计算的影响

考虑到低纬地磁场与偶极子磁场偏离较大, 本文用国际参考场(n=6)进行了低纬哨声射线追迹计算.结果表明, 在约9°N和12°N处有两个很窄的哨声波非导传播出口点, 相应射线起点都在雷电活动区.哨声波非导传播出口的截止纬度约在8—9°N处.计算结果也较满意地解释了低纬哨声色散值和f₀/F₂正相关的事实.